风机流场测试系统设计
四川理工学院毕业设计（论文）风机流场测试系统设计
学生：李世荣
学号：0901*******
专业：测控技术与仪器
班级：2009级1班
指导教师：柳忠彬
四川理工学院机械工程学院
二O一三年六月
四川理工学院
毕业设计（论文）任务书
设计(论文)题目：风机流场测试系统设计
学院：机械工程学院专业：测控技术与仪器班级：2009级1班学号：0901******* 学生：李世荣指导教师：柳忠彬
接受任务时间2013.01.08
系主任（签名）院长（签名）
1．毕业设计的主要内容及基本要求
本课题为提高风机效率，从流体力学角度，基于测试风机外部流场状况，来完成风机流场测试系统。
要求实现对风机出风口的风速采集、数据的处理、流场数值的显示等功能，其主要工作是系统硬、软件设计及图纸的绘制和论文撰写，具体包括：①系统总体方案设计；
②硬件设计；③软件设计；④图纸绘制：A4一张；说明书：2万字左右。
2．指定查阅的主要参考文献及说明
[1] 张玉成，冯殿义.通风机设计与选型[M] .北京：石油化学工业出版社，2011.2
[2] 唐晨光，唐绪伟. 单片机原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2010.5
[3] 阎石.数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2008.8
[4] 杨有涛，徐华英. 气体流量计[J].北京：中国计量出版社，2007.8
[5] 唐文彦. 传感器技术[M].北京：机械工业出版社，2006.7
摘要
风机流场测试系统对风机性能测试影响重大，我国风机性能检测大多以手工为主，存在试验手段落后，劳动量大和测试结果不准确等缺点。本文从流体力学角度，基于测试风机外部流场状况，对提高风机的效率进行研究和改进风机的设计。本次设计主要是选取轴流风机出风口的一个截面上若干个点测试其风速来完成，利用单片机作为核心处理器件，采用速度传感器采集风机性能参数，最终通过串口传至上位机。这样使得在设计风机流场测试系统的时候更能方便快捷的得到理想的结果。
关键词：风机；风速传感器；单片机；流场测试
ABSTRACT
Fan flow field measurement system on the fan performance testing significant impact, our fans are mostly hand-based performance testing, test methods exist behind large amount of labor and inaccurate test results and other shortcomings. This article from the perspective of fluid mechanics, fan external flow field based on the test conditions, to improve the efficiency of the fan conduct research and improve the design of wind turbines. This design is mainly selected axial fan outlet cross section of a number of points to test their speed to complete, using MCU as the core processor parts, using the speed sensor to collect fan performance parameters, and ultimately spread to the host computer via the serial port. This makes the flow field in the design of the fan when the test system more convenient to get the desired results.
Keywords:wind turbine; wind speed sensor; micro controller unit; flow field measurement
目录
摘要 ................................................................................................................................................................ I ABSTRACT................................................................................................................................................ I I 第一章绪论 .. (1)
1.1 课题背景 (1)
1.2 国内外风机流场测试发展趋势 (2)
1.3 课题研究的意义 (2)
第二章系统总体方案设计 (4)
2.1 设计任务及主要内容 (4)
2.2 系统工作原理 (4)
2.3 系统设计方案选定 (5)
第三章系统硬件设计 (6)
3.1 风机的设计与选型 (6)
3.1.1 风机的概述 (6)
3.1.2 风机的性能参数 (7)
3.1.3风机型号确定 (9)
3.2 传感器型号选择 (10)
3.2.1 传感器的概述 (10)
3.2.2 传感器的性能参数 (11)
3.2.3 传感器风速测试 (13)
3.3 单片机系统设计 (15)
3.3.1 单片机的概述 (15)
3.3.2 AT89S52技术参数 (15)
3.3.3 单片机最小系统 (20)
3.4 AD转换器选择 (21)
3.4.1 AD转换器的概述 (22)
3.4.2 AD转换器的分类 (22)
3.4.3 AD转换器的技术指标 (23)
3.4.4 AD转换器型号的确定 (24)
3.5 锁存器选择 (26)
3.5.1 锁存器的概述 (26)
3.5.2 锁存器型号的确定 (27)
3.6 转换电平器选型 (29)
3.6.1 转换电平器的概述 (29)
3.6.2 转换电平器型号的确定 (29)
3.7 通信串口选择 (30)
3.8 系统电源模块设计 (31)
3.9 本章小结 (32)
第四章系统软件设计 (34)
4.1 硬件电路图设计工具 (34)
4.1.1 Protel99se介绍 (34)
4.1.2原理图绘制步骤 (34)
4.2 系统软件程序流程图 (35)
4.2.1系统软件主程序流程图 (35)
4.2.2 按键扫描子程序 (36)
4.2.3 A/D转换测量子程序 (37)
4.3 测试数据实时显示 (38)
第五章结论 (40)
参考文献 (41)
致谢 (42)
附录A:系统总体设计电路图 (43)
附录B：程序 (44)
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第一章绪论
1.1 课题背景
风机在国民经济各部门中运用十分广泛，利用风机产生的气流做介质进行工作，可实现清选、分离、加热烘干、物料输送、通风换气、除尘降温等多种工作。所以，在我国的冶金、有色金属、化工、建材和煤炭等部门，风机得到了广泛地应用[1]。风机的工作是以输送流量、产生全压、所需功率及效率来体现的，这些工作参数之间存在着相应的关系，当流量与转速变化时，会引起其他参数相应的变化。为使风机能经常在高效区运行，需参照风机性能曲线来选择风机的运行工况点。风机流场测试系统设计对提高风机今后在各个领域的应用以及改进其运行效率都有一定作用。
目前国内生产风机的厂家据不完全统计可达到上千家，但生产的工艺水平差别甚远，造成市场上的产品质量差别很大。有的产品性能（如风量、风速、风压）甚至只达到铭牌值的50%左右。风机的最大特点是当压力在允许范围内调节时，流量变化甚微，压力选择范围宽，具有强制输气特征，主要缺点是噪声较大。设计者按铭牌值选了这种风机，实际运行时的各项性能却达不到设计值，影响通风效果，给用户造成巨大的生命和经济损失，因此风机性能试验对于成品的检验是非常重要的。但长期以来，我国的风机测试手段比较落后，主要以手动操作试验过程、手工测量试验数据、手工绘制曲线为主，存在测量手段落后，测量精度不高和劳动强度大等缺点，因此厂家和用户迫切需要一套高效、准确的检测系统[2]。
随着电子技术和计算机技术的发展，我国工业自动化程度越来越高，使得风机参数的自动采集成为可能，人们也将从繁重的劳动中得以解脱。近年来，我国少数单位在通风机测试技术方面有了新的研究或使用了微型计算机，但他们有的技术不成熟，只能完成某一单一的测试任务，有的测试系统庞大而复杂，不能作为通用系统得以推广。在实现风机性能检测自动化的道路上，人们还需迈出重要的一步。
由于风机内部流体运动的复杂性，至今还不能用理论的方法精确计算出它的各种损失，因而不能正确的计算出各种性能参数，所以用计算的方法得到的性能曲线与实际工作性能曲线之间存在较大差异，特别是对于非设计工况，计算值与实际值的误差更大，因此本次风机流场测试系统设计主要是选取轴流风机出风口的一个截面上若干个点测试其风速来完成。轴流风机与常用的离心风机相比是一种大流量低扬程的风机，它不仅能够作为实验用而且还能用于其它工农业生产活动中。它因其结构简单、使用方便，在国民经济中发挥了巨大作用[3]。
第一章绪论
1.2 国内外风机流场测试发展趋势
目前国内外的风机流场测试发展趋势也或多或少的存在一定的差异，目前，国内风机性能测试用户为了提高经济效益，在选择风机时对它的各项性能指标提出了更为严格的要求。如压力，流量，转速，功率．噪声，可靠性等。同时，风机生产厂家为了提高产品的竞争能力，在努力改进气动设计，提高机械加工的同时，也对风机性能试验的研究和开发给予了高度的重视。并且在电气拖动设备的运行过程中,经常遇到这样的问题,即拖动设备的负荷变化较大,而动力源电机的转速却不变,也就是说输出功率的变化不能随负荷的变化而变化。在实际中这种“大马拉小车”的现象较为普遍,浪费能源。在许多生产过程中采用变频调速实现电动机的变速运行,不仅可以满足生产的需要,而且还能降低电能消耗,延长设备的使用寿命。鼓风机系统采用变频调速,并应用PLC或者单片机构成风压闭环自动控系统,实现了电机负荷的变化变速运行自动调节风量,即满足了生产需要,又达到了节能降耗的目的[4]。
国外大多采用虚拟仪器技术来完成风机性能试验的测试，虚拟仪器技术是目前测控领域中最为流行的技术之一，它利用I／O接口设备完成信号的采集、测量与调理，利用计算机软件实现信号数据的运算、分析和处理，利用显示器丰富的显示功能来多形式地表达和输出检测结果[5]。在此基础上，构成一个具有完整测试功能的计算机仪器系统，即虚拟仪器。虚拟仪器具有传统仪器的基本功能，同时又能根据用户的要求随时进行定义，实现多种多样的应用需求，具有扩展灵活、界面友好、操作简便、性价比高等特点，目前，虚拟仪器技术在许多领域都得到广泛应用。
由此可见，风机性能测控系统对于成品的检验和新产品的设计开发都至关重要，特别是对于大型、特型风机以及单件、小批量而且气流特性有特殊要求的情况，性能试验尤为重要。
1.3 课题研究的意义
全球经济一体化趋势越来越明显，各国经济将进一步互相依存，国际经济合作和交往日趋紧密，国际市场处在大幅度交叉和融合阶段。同时，全球性产业结构调整步伐正在加快，国际分工规模和深度都出现重大进展，发达国家不断将工业生产转向资本密集型和技术密集型行业，劳动密集型产品向发展中国家和地区转移。这为我国发挥自身优势，跻身国际市场提供了很好的发展机遇。我们进行风机流场测试系统设计是对风机性能试验测试的一种表现方式，轴流风机内部流场的研究，为掌握轴流风机空气动力性能及优化风机的过流部件提供了可靠的依据；对改善风机性能提出有效的方法，本次设计
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便是从轴流通风机着手设计一个风机流场测试系统，这并不是一个全新的研究课题，而是在现有成熟的基础上进行的一个课题研究，但是是从不同的方面去探讨的，因此对提高风机运行效率以及风机在工农业方面的发展也有着极其深远的意义。
第二章系统总体方案设计
第二章系统总体方案设计
2.1 设计任务及主要内容
本次设计的题目是风机流场测试系统设计，我们知道要做一个风机流场测试系统不仅需要对整个系统方案有明确的规划，还需要对整个系统需要的硬件加以对比选择最终确定与本测试系统最匹配的各种硬件。还需要完成整个系统数据的采集、处理以及显示。其中数据的采集和处理就需要借助传感器和单片机等硬件来完成，后期的显示部分则需要借助图像显示软件来完成。
风机流场测试系统包括了对风机出风口外部流场值的采集，流场值数据的处理以及后期的图像显示三个部分。风机流场测试是风速与风向的综合测试，但本次试验选用的是轴流风机作为试验用风机，其风向稳定，因此只需要测试其风速即可。
2.2 系统工作原理
图2-1 系统工作原理示意图
通过以上系统设计任务和主要内容可看出本测试系统需要一个通风机，然后在通风机口处放置一风速传感器，由于本次设计需要对风机出风口的一个截面做流场测试，然而风速传感器是不可伸缩的固定装置，因此还需要一可以使传感器水平和上下移动的支架。通过移动该支架可以用风速传感器采集到通风机出风口的一个截面上若干点的风速信号值，数据处理则包含了模数转换器和单片机部分，然而该风速传感器输出的信号不是数字信号，而是电压信号不能被单片机直接读取处理，因此还需要通过一个模数转换器连接来进行模数转换，这样风速传感器出来的电压信号就能被单片机读取和处理，单片机还需要通过一个串口和上位机连接，然而串口的逻辑电平与通常的TTL和MOS电
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平不兼容，因此还需要在单片机和串口之间加上一个转换电平器，然后单片机通过串口与上位机（PC）连接配以图像显示软件来完成风机流场值的分布图。
2.3 系统设计方案选定
本次设计是对风机外部流场进行测试，即选用一通风机作为风机流场提供者，仅选取通风机外部出口的一个截面作为测试对象，选取该截面上若干个点，利用一个风速传感器作为风速采集装置，风速传感器又通过与单片机连接来处理所收集的信号，最终通过串口与电脑相连显示其流场数值分布。在有的元器件连接的时候不能直接识别输出的信号，因此还需要通过一定的转换元件来配合完成。
图2-2 系统设计方案示意图
第三章系统硬件设计
第三章系统硬件设计
系统硬件部分是整个系统的基础，支撑系统的运行。本系统硬件主要由轴流风机、三杯式风速传感器、模数转换器、锁存器、单片机、PC机等组成。硬件主要完成风机流场数据的采集、数据的分析以及数据的处理等工作。
图3-1 系统硬件组成示意图
3.1 风机的设计与选型
我们知道风机流场测试系统不是针对某一种特定的风机来进行的，但我们为了更能方便的进行设计便选取一种特定的试验用通风机，下面就对该试验风机的各项性能参数作一个详细的介绍。
3.1.1风机的概述
风机是依靠输入的机械能，提高气体压力并排送气体的机械，它是一种从动的流体机械。风机的主要结构部件是叶轮、机壳、进风口、支架、电机、皮带轮、联轴器、消音器、传动件（轴承）等。风机按工作原理可分为叶片式和容积式及喷射式三类，按出口压力（升压）分为：通风机（≤1.5万Pa）、鼓风机（1.5～35万Pa）、压缩机（≥35万Pa）。常用的形式为叶片式和容积式，尤其以叶片式通风机应用最为广泛。通过对各个不同型号的风机进行对比本次设计决定采用T40轴流风机作为试验用风机。
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图3-2 T40型通风机外形示意图
表3-1 T40型通风机安装尺寸
单位：（mm）
3.1.2 风机的性能参数
T40型轴流风机是轴流风机大类别里面的一个小系列轴流风机，是当前市场上一种
第三章 系统硬件设计
最为常见的，使用比较普遍广泛的通风设备产品，T40型轴流风机主要运用在石油，化工，食品加工，机械制造，工厂车间、仓库、办公室等场合，一般被用来做通风换气，排烟除尘或者加强暖气散热之用，如果将机壳去掉，也可作自由风扇，也可在较长的排气管道内间隔串联安装，以提高管道中的风压。T40型轴流风机是在原30K4型（又称03-11型）轴流风机的基础上进行改造设计的。T40型轴流风机由于修改了原30K4型风机的翼型，又采用了新型的圆筒轮毂的结构，因之使风机的效率由原来的69%提高到84%。又增强了叶根处的强度，而避免了叶根断裂现象的出现，噪声比原来降低了3.6dB 。 本风机由叶轮、机壳、集风器三部分组成：
叶 轮 部：由叶片、轮毂等组成，叶片系圆弧薄板，由薄钢板冲压而成，按所需安装角焊于轮毂外圆上。
机 壳 部：由风筒、底座及支板等组成，均采用薄钢板及型材制成。风筒为直圆筒形，与叶轮之间有一定的间隙。
集风器部：为减少气流入口的损失，集风器制成圆弧流线型，由薄钢板冲压或旋压机旋压成形。
本系列产品均采用叶轮直接装在电机轴上的直联结构，在叶轮圆周速度不超过60 m/s 条件下配以三种转数：2900 r/min 、1450 r/min 、960 r/min 。面对进风口方向看叶轮均为逆时针旋转。
本风机按叶轮直径不同共分成十个机号，依次排列为 2.5、3、3.5、4、5、6、7、8、9、10。每一种机号的叶片又可安装成15°、20°、25°、30°、35°五种角度。
本章节性能表中的参数系风机在标准状况下的性能，所谓标准状况即： t = 20℃ X = 50% P = 101325Pa ρ = 1.2kg/m3 当风机在非标准状况下工作时，其性能按下式换算： 0
0n n
Q Q ?
= (3-1) 02020ρρ
??=n n P P (3-2)
3030ρρ
??=n n N N (3-3)
式中： 0Q 、0P 、0N 、0n 、ρ0 指标准状况下的风量、风压、功率、转速和空气密度。 Q 、P 、N 、n 、ρ使用工况下的的风量、风压、功率、转速和空气密度。
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表3-2 T40 型轴流通风机性能表
3.1.3风机型号确定
根据以上对风机的概述以及风机性能参数的详细介绍，决定选用机号 2.5，转速
第三章系统硬件设计
1450 r/min，角度为35°，全压为46Pa，风量为1141m3/h，轴功率为0.0207KW的轴流风机。该型号的风机完全能满足本次试验所需的各方面的要求，为本次试验顺利的进行提供了可靠性保证。
3.2 传感器型号选择
3.2.1 传感器的概述
风速传感器是一种将空气的流动速度变量转换成有一定对应关系的输出信号的装置。常用的风速传感器有三杯式风速传感器、热线风速计和超声波风速计等。
三杯式风速传感器是一款风速测量仪器，本品由壳体、风杯和电路模块组成，内部集成光电转换机构、工业微电脑处理器、标准电流发生器、电流驱动器等。传感器壳体和风杯采用铝合金材料，使用特种模具精密压铸工艺，尺寸公差甚小表面精度甚高，内部电路均经过防护处理，整个传感器具有很高的强度、耐候性、防腐蚀和防水性。电缆接插件为军工插头，具有良好的防腐、防侵蚀性能，能够保证仪器长期使用，同时配合使用风速传感器内部进口轴承系统说明书，确保了风速采集的精确性。电路PCB采用军工级A级材料，确保了参数的稳定和电气性能的品质；电子元件均采用进口工业级芯片，使得整体具有极可靠的抗电磁干扰能力，能保证主机在－20℃～＋50℃,湿度35％～85％（不结露）范围内均能正常工作。
热线风速仪是利用加热的金属丝(热线)的热量损失速率和气流流速之间的关系来求得气流速度的一种仪器。将流速信号转变为电信号的一种测速仪器，也可测量流体温度或密度。其原理是，将一根通电加热的细金属丝（称热线）置于气流中，热线在气流中的散热量与流速有关，而散热量导致热线温度变化而引起电阻变化，流速信号即转变成电信号。它有两种工作模式：①恒流式。通过热线的电流保持不变，温度变化时，热线电阻改变，因而两端电压变化，由此测量流速；②恒温式。热线的温度保持不变，如保持150℃，根据所需施加的电流可度量流速。恒温式比恒流式应用更广泛。热线长度一般在0.5～2毫米范围，直径在1～10微米范围，材料为铂、钨或铂铑合金等。若以一片很薄(厚度小于0.1微米)的金属膜代替金属丝，即为热膜风速仪，功能与热丝相似，但多用于测量液体流速。热线除普通的单线式外，还可以是组合的双线式或三线式，用以测量各个方向的速度分量。从热线输出的电信号，经放大、补偿和数字化后输入计算机，可提高测量精度，自动完成数据后处理过程，扩大测速功能，如同时完成瞬时值和时均值、合速度和分速度、湍流度和其他湍流参数的测量。热线风速仪与皮托管相比，具有探头体积小，对流场干扰小；响应快，能测量非定常流速；能测量很低速（如低达
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0.3米/秒)等优点。
热线风速仪有两种工作模式：
1.恒流式，亦称定电流法，即加热金属丝的电流保持不变，气体带走一部分热量后金属丝的温度就降低，流速愈大温度降低得就愈多；温度变化时，热线电阻改变，两端电压变化，因而测得金属丝的温度则可得知流速的大小。
2.恒温式，亦称定电阻法（即定温度法），改变加热的电流使气体带走的热量得以补充，而使金属丝的温度保持不变（也称金属丝的电阻值不变）如保持150℃，；这时流速愈大则所需加热的电流也愈大，根据所需施加的电流（加热电流值）则可得知流速的大小。恒温式比恒流式应用更广泛。
热线风速仪的主要用途有以下几点：
1.测量平均流动的速度和方向。
2.测量来流的脉动速度及其频谱。
3.测量湍流中的雷诺应力及两点的速度相关性、时间相关性。
4.测量壁面切应力（通常是采用与壁面平齐放置的热膜探头来进行的，原理与热线测速相似）。
5.测量流体温度（事先测出探头电阻随流体温度的变化曲线，然后根据测得的探头电阻就可确定温度)，除此以外还开发出许多专业用途。
超声波风速计是利用发送声波脉冲,测量接收端的时间或频率（多普勒变换）差别来计算风速和风向的风速风向测量仪器。
综合上述三种风速传感器的各种特定性能及指标选取三杯式风速传感器作为本次试验用风速传感器。
3.2.2 传感器的性能参数
3.2.2.1 传感器应用范围
本传感器可广泛运用于工程机械领域，铁路、港口、码头、电厂、气象、索道、环境、温室、养殖、空气调节、节能监控、农业、医疗、洁净空间等领域风速的测量，并输出相应的信号。
3.2.2.2 传感器技术参数
JL-FS2风速传感器
传感器样式：三杯式
□脉冲输出型：□NPN输出□PNP输出
□NPN输出带内部上拉（4.7KΩ）
第三章系统硬件设计
□RS485通讯型
□电压输出型: □0-5VDC □0-10VDC
□电流输出型：4-20mA
接线方式：电压：三线制电流：三线制数字：四线制
TTL电平：三线制脉冲：三线制
电源：□DC5~24V □DC12~24 V
量程：□0-30m/s □0-60m/s
负载能力: □其他□<500Ω □＞2kΩ
最大功耗（DC24V）：脉冲型MAX≤200mW；
电压型MAX≤300mW；
电流型MAX≤700mW；
启动风力：0.4~0.8m/s：重量：≤0.5Kg
3.2.2.3 结构尺寸图
图3-3 结构尺寸图
3.2.2.4 传感器功能特点
该产品自投入市场以来，以其优异的质量，卓越的性能赢得广大用户的好评，具备以下特点：
◆外观结构设计合理、美观大方，体积小，便于携带，安装简便。
◆测量精度高，量程范围宽，稳定性好。
◆有较强的防腐蚀性和耐候性。
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◆动态特性好，抗外界干扰能力强，测量精度高。
◆功耗低，电路寿命长，能长期稳定工作；
◆电源适应范围宽，数据信息线性度好，信号传输距离长。
3.2.2.5 传感器的固定方式
传感器应水平安装，确保风向数据的准确性；并且还需要一可水平移动和上下伸缩的支架来支撑传感器。采用法兰安装方式，传感器下方安装法兰直径Ф60mm，四个安装孔为Ф6.6mm，四个安装孔均匀分布再Ф47mm的圆周上，安装使用法兰固定安装，安装尺寸如下：
图3-4 传感器安装示意图
3.2.3 传感器风速测试
表3-3 风速与输出信号对应表
第三章系统硬件设计
结合上述风速传感器的各项参数，本次试验决定采用电压输出方式，电压：0-5V、接线方式：三线制，电源用DC5~24V。通过一可上下伸缩和水平移动的支架来移动传感器便可方便的采集到通风机出风口某一个截面上若干个点的风速信号，由风速与输出信号对应表可看出风速传感器所采集的风速信号与传感器输出的电压信号成一定线性关系，然后再通过单片机等核心元件的处理运算，可以根据风速传感器输出的电压信号得到风机输出的相对应的风速信号值。